哥伦比亚大学利用2D材料控制光相位 应用于自动驾驶汽车激光雷达

据外媒报道，随着信息处理和通信的需求不断增长，纳米光学操纵成为了一个关键的研究领域。能够在纳米尺度上控制和操纵光会实现大量的应用，包括数据通信、成像、测距、传感、光谱学、量子和神经电路等，如自动驾驶汽车的激光雷达以及速度更快的视频点播等。

如今，由于硅在电信波长上具备一定的透明度、具备电光和热光调制能力以及可与现有的半导体制造技术兼容，已经成为了首选的集成光子学平台。虽然，硅纳米光子在光学数据通信、相控阵列、激光雷达、量子和神经电路等方面取得了重大进展，不过，大规模将硅纳米光子集成至上述系统中还有两个主要障碍：对扩展光学宽带的需求不断扩大以及高电力消耗。

现有的大部分硅相位调制器能够改变光学信号的相位，但是该过程带来的代价是很高的光学损耗（电光调制）或很高的电力消耗（热光调制）。不过，美国哥伦比亚大学团队表示，他们发现了一种新方式，可以利用2D材料（超薄、0.8纳米，或人类头发的十万分之一的材料）来控制光相位，而且不会改变其振幅，电力消耗也极低。

研究人员表示，只要在无源硅波导上放置该超博材料，就能够像现有的硅相位调制器一样，大幅改变光的相位，而且光损耗和功耗要低得多。

众所周知，过渡金属双卤族化合物（TMD）等半导体2D材料的光学特性会随着其激子共振峰（吸收峰）附近的自由载流子注入（掺杂）而发生显著变化。不过，几乎没人知道在远离此类激子共振的电信波长处，掺杂自由载流子对TMD光学性质的影响，在此类激子共振处，材料是透明的，因此可以用于光子电路。

哥伦比亚大学团队通过在低损耗氮化硅光腔上集成半导体单层，并在半导体单层掺杂了离子液体，以探测TMD的电光响应。他们观察到掺杂了离子液体后，相位变化较大，而在环形腔的传输响应中，光损耗的变化最小。他们发现，对于单层TMD而言，掺杂引起的相位变化是吸收引起的相位变化的约125倍，明显高于Si和Si上的III-V等常用的硅光子调制器材料，同时插入损耗可以忽略不计。

研究人员正在继续探索和更好地理解强电折射效应的潜在物理机制。他们目前正利用低损耗和低功率相位调制器来取代传统的移相器，以在光学相控阵、神经和量子电路等大规模应用中减少电力消耗。（文中图片均来自哥伦比亚大学）